吳常信2015.4動(dòng)物育種中數(shù)量性狀選擇方法進(jìn)展(第十七次全國家禽學(xué)術(shù)討論會(huì).重慶)

1、吳常信中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院2021年10月16日The Progress of Selection Methods on Quantitative Traits in Animal Breeding報(bào)告內(nèi)容：1.數(shù)量性狀遺傳改良的群體層面，重點(diǎn)討論雜種優(yōu)勢的利用；2.數(shù)量性狀遺傳改良的分子層面，重點(diǎn)討論基因組選擇。一、數(shù)量遺傳學(xué)（quantitative genetics）1.概念 “是遺傳學(xué)原理與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相結(jié)合，研究群體數(shù)量性狀的遺傳學(xué)分支科學(xué)?！眑 遺傳學(xué)l 統(tǒng)計(jì)學(xué)群體l 數(shù)量性狀動(dòng)物生產(chǎn)中需要改良的性狀大多是數(shù)量性狀。2.對(duì)數(shù)量性狀認(rèn)識(shí)的發(fā)展（1）以往的認(rèn)識(shí)：l由多基因決定, 單個(gè)

2、基因的作用很?。ㄎ⑿Щ颍﹍微效基因具有相等的加性效應(yīng)l由多基因控制的數(shù)量性狀是一個(gè)整體，微效基因不能被單獨(dú)識(shí)別。（2）現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)：l影響數(shù)量性狀的不僅有微效基因，而且也有主效基因。l不僅有加性效應(yīng)，而且也有顯性效應(yīng)和上位效應(yīng)。l對(duì)控制數(shù)量性狀的基因有的也能被單獨(dú)識(shí)別，如QTL，QTG。（3）數(shù)量性狀與復(fù)雜性狀（complex trait)l兩者都受多基因決定l復(fù)雜性狀中可度量的性狀為數(shù)量性狀3.對(duì)動(dòng)物育種認(rèn)識(shí)的發(fā)展（1）育種是育成新品種。（2）育種是對(duì)家畜/禽進(jìn)行遺傳改良，提高種畜的種用價(jià)值。（3）育種是從遺傳上改良畜種，并使其達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益。4.育種技術(shù)（1）育種的關(guān)鍵技術(shù)是選種（選擇

3、），選種的關(guān)鍵是提高選擇的準(zhǔn)確性，使其無限地接近種畜的“真值”。（2）要對(duì)不同的畜種、不同的性狀采用不同的選擇方法比較育種學(xué)。（3）現(xiàn)代育種技術(shù)是以遺傳學(xué)理論為指導(dǎo)，由計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物技術(shù)、信息技術(shù)、系統(tǒng)工程以及育種學(xué)家創(chuàng)新思維的一個(gè)集合。二、群體層面的選擇方法 （Selection methods on population level) ) 1.從表型值到育種值（1）值與方差 P=G+E VP=VG+VE (COVGE=0)（2）育種值 =bAP( P - ) (bAP : 育種值對(duì)表型值的回歸系數(shù)）P2.遺傳參數(shù)（1）重復(fù)力 re=(VG+VEg)/VP（2）遺傳力 H2=VG/VP；h

4、2=VA/VP（3）遺傳相關(guān) rA=COVAxAy Ax Ay （4）群體親緣相關(guān)（一項(xiàng)新的遺傳參數(shù) ） =0.5(n-1)+0.25n(d-1)/(dn-1)在1公畜群體中，d:母畜數(shù)； n：仔畜數(shù)當(dāng)n很大時(shí)， =（d+1)/4d (近似式） 動(dòng)物遺傳學(xué) 吳常信主編（2009）_r遺傳參數(shù)_r3.常用選種方法比較（1）根據(jù)個(gè)體和家系數(shù)據(jù)：l 個(gè)體選擇l 家系選擇l 家系內(nèi)選擇l 合并選擇 在家禽育種中我們推薦個(gè)體選擇結(jié)合家系選擇。對(duì)遺傳力低的性狀，以家系成績?yōu)橹?，結(jié)合個(gè)體成績，如蛋禽；對(duì)遺傳力高的性狀，以個(gè)體成績?yōu)橹?，結(jié)合家系成績，如肉禽。（2）根據(jù)個(gè)體及其親屬數(shù)據(jù)： l個(gè)體（成績）測驗(yàn)l同

5、胞測驗(yàn)l 系譜測驗(yàn)l 后裔測驗(yàn) 后裔測驗(yàn)延長了世代間隔。奶牛世代間隔長，可還是做后裔測驗(yàn)；家禽世代間隔短，但不做后裔測驗(yàn)。 為什么？選種方法（3）直接選擇與間接選擇 設(shè) x 為需改進(jìn)的目標(biāo)性狀，y 為所選擇的輔助性狀，則 y 性狀的選擇反應(yīng)為 Ry，x 性狀的相關(guān)選擇反應(yīng)為 CRx。 由公式CRx =bA(xy) Ry ，可推導(dǎo)出即，目標(biāo)性狀與輔助性狀之間的遺傳相關(guān)高，而且輔助性狀的遺傳力高于目標(biāo)性狀的遺傳力，間接選擇才有好的效果。)(xyAxyxxrhhRCR選種方法（4）多性狀的選擇選擇指數(shù) 通過對(duì)可度量性狀的綜合選擇（I），要求在經(jīng)濟(jì)上 達(dá)到最大的遺傳改進(jìn)（H） I = b1P1+ b2

6、P2 +bnPn H = w1G1 +W2G2+wnGn P b = G w b = P-1 G w選種方法（5）線性混合模型BLUP育種值 y= Xb+Zu+el 動(dòng)物模型BLUP育種值 y = l 多性狀的BLUP育種值設(shè)有兩個(gè)性狀1和2，則有 y1= X1b1+Z1a1+e1 y2= X2b2+Z2a2+e2 BLUP首先應(yīng)用于奶牛育種并取得好的效果，那么家禽育種呢？。epabrjj 1選種方法（6）數(shù)量性狀隱性有利基因的選擇 一種新的選種方法*l 假設(shè)的提出l 假設(shè)的證明l 對(duì)同一性狀的直接與間接選擇l 參數(shù)估計(jì)l 數(shù)量性狀隱性有利基因存在的簡易檢測方法l 應(yīng)用動(dòng)物遺傳學(xué) 吳常信主編（

7、2009）選種方法4. 雜交與雜種優(yōu)勢利用育種過程：選擇純繁雜交再選擇（1）純繁的作用l固定優(yōu)良性狀l保存（品種）遺傳資源l育成純系或近交系（2）雜交的作用l雜交育種，育成新品種l利用雜種優(yōu)勢，應(yīng)用配套技術(shù)生產(chǎn)商品畜禽 5.關(guān)于配套系育種幾個(gè)問題的討論（1）是群體水平的“基因聚合” 一些負(fù)遺傳相關(guān)的性狀很難在同一個(gè)品種（系）中兼顧，如蛋數(shù)與蛋重。配套系解決了這個(gè)問題。（2）是群體水平的“平衡育種” 在一定程度上能對(duì)需要改進(jìn)的兩個(gè)性狀“取長補(bǔ)短”，如生長速度與肉質(zhì)。（3）可有效地結(jié)合數(shù)量性狀與質(zhì)量性狀育種 自別雌雄 制種控制（4）可根據(jù)市場需要組合不同性狀l 青腳矮小隱性白羽與地方雞種配套l d

8、w基因的應(yīng)用 dw基因在蛋雞、優(yōu)質(zhì)肉雞中應(yīng)用是成功的；在速生型肉雞中還沒有成功的例子，因?yàn)樯唐冯u中Dwdw基因型的公雞比DwDw公雞增重要慢5%-10%。（5）打破國外育種公司的壟斷 （以北京白雞育種為例）l“爭氣雞”l 聯(lián)合育種l“傻子才不向中國出口曾祖代”l 產(chǎn)生了一批我國自己的蛋雞育種企業(yè)l 國產(chǎn)蛋雞已占高產(chǎn)蛋雞市場的“半壁江山” （6）配套系的血統(tǒng)更新l 某個(gè)系有明顯缺點(diǎn) 本身性能退化，如產(chǎn)蛋，增重明顯下降，死淘率上升；配套效果明顯降低。l 引種考慮 和原來系在配套系中處于同樣位置，如A、B、C、D；能明顯改進(jìn)原系的缺點(diǎn)。l方法 換某個(gè)系的全部或部分公雞；如原系缺點(diǎn)嚴(yán)重，則全系淘汰。（

9、7）幾個(gè)系配套效果好？ 二系配套 優(yōu)點(diǎn)：雜種優(yōu)勢高， 產(chǎn)品一致性好 缺點(diǎn)：供種能力差， 不能提供種蛋 三系配套 優(yōu)點(diǎn) :l 能利用母本雜種優(yōu)勢；l F1一致性好。 缺點(diǎn) :沒有明顯的缺點(diǎn)，但要求終端父本性能好，均勻度高。 四系配套 優(yōu)點(diǎn)：l 可同時(shí)利用父本和母本的雜種優(yōu)勢；l 在雞中，可建立“雙自別”配套系。缺點(diǎn) ：l 制種成本較高l 商品畜群的一致性較差 五系配套 從遺傳育種上分析，沒有優(yōu)點(diǎn)；從商業(yè)上分析，有利于育種公司控制制種過程。 五系或更多的系配套在商品生產(chǎn)中沒有實(shí)際意義。缺點(diǎn)：l 增加了遺傳傳遞途徑 l 增加了育種成本 l 降低了每個(gè)系的選擇強(qiáng)度 l 降低了商品家畜（禽）的均勻度 （

10、8）配套系育種在不同畜種中應(yīng)用分析 已廣泛應(yīng)用的：家禽、豬 有應(yīng)用前景的：多數(shù)肉用家畜（改進(jìn)肉質(zhì)、提高母畜泌乳能力，增強(qiáng)抗逆性） 不適合應(yīng)用的：乳牛l世代間隔長，配套系育種成本高l純種選育已有好的效果（BLUP，GS）l雜種優(yōu)勢利用主要是引進(jìn)種?；騼鼍?三、分子層面的選擇方法（Selection Methods on Molecule Level)1. 動(dòng)物分子育種的概念“從分子水平上對(duì)動(dòng)物進(jìn)行遺傳改良（genetic improvement）或育成新品種”，也叫 “分子設(shè)計(jì)（molecular design）育種”2.思路與實(shí)踐（1）基因聚合（gene pyramiding） 希望把高產(chǎn)、優(yōu)

11、質(zhì)、高效、抗病、抗逆等有利性狀的基因通過基因操作，盡可能多地聚合在一起。存在問題： 質(zhì)量性狀的基因聚合早就解決了；在沒有找到目的基因之前，數(shù)量性狀的基因聚合就是“無米之炊”。（2）平衡育種（balanced breeding） 統(tǒng)籌考慮高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、抗病、抗逆等有利性狀，要求性狀之間達(dá)到一個(gè)“最佳”的平衡點(diǎn)。存在問題： 群體水平的平衡育種早就解決了；分子水平的平衡育種仍在設(shè)計(jì)之中。你的態(tài)度是什么？（3）轉(zhuǎn)基因（gene transfer；GM)育種 人們對(duì)轉(zhuǎn)基因育種的態(tài)度:l 贊同l 反對(duì)l 懷疑l 無可奈何 對(duì)轉(zhuǎn)基因育種的要求l 常規(guī)育種做不到的l 比常規(guī)育種快得多的l 產(chǎn)品對(duì)人和環(huán)境是

12、安全的 轉(zhuǎn)基因育種的技術(shù)要點(diǎn)l 目標(biāo)基因的獲得l 獲得基因的轉(zhuǎn)入l 轉(zhuǎn)入基因的表達(dá)l 表達(dá)基因的遺傳 什么時(shí)候才能育出轉(zhuǎn)基因動(dòng)物品種？l 豬？牛？羊？魚類？l 基因是縱向傳遞還是橫向傳遞？l 成本？ 實(shí)驗(yàn)室研究 中試釋放 安全評(píng)估 生產(chǎn)推廣3.數(shù)量性狀基因座（QTL）與標(biāo)記輔助選擇（MAS）（1）QTL and MAS標(biāo)記輔助選種(MAS)中的標(biāo)記是否就是QTL？嚴(yán)格地說，標(biāo)記和QTL是有區(qū)別的，只有當(dāng)標(biāo)記和所標(biāo)記的數(shù)量性狀基因完全連鎖時(shí)，標(biāo)記才是該數(shù)量性狀的QTL。為什么在家畜中被定位的QTL很多，但在生產(chǎn)中能用的又很少？的確被定位的QTL很多。（見下表）（從分子水平證明了決定數(shù)量性狀的是多

13、基因?。㏎TL and MAS畜種畜種QTL總數(shù)總數(shù)性狀性狀數(shù)量數(shù)量性狀性狀類型類型QTL數(shù)量數(shù)量畜種畜種QTL總數(shù)總數(shù)性狀性狀數(shù)量數(shù)量性狀性狀類型類型QTL數(shù)量數(shù)量豬豬12604656肉質(zhì)肉質(zhì)5114雞雞4379306 生長代謝生長代謝2824 生長代謝生長代謝3426 疾病疾病599 解剖結(jié)構(gòu)解剖結(jié)構(gòu)1660 蛋蛋540 疾病疾病369 外形、行為外形、行為190 外形、行為外形、行為862 肉質(zhì)肉質(zhì)100 繁殖繁殖1173 其它其它126牛牛13145492產(chǎn)奶性狀產(chǎn)奶性狀4231羊羊791217 疾病相關(guān)疾病相關(guān)165 生長代謝生長代謝6114 羊毛羊毛39 疾病、健康疾病、健康143

14、3 生長與繁殖生長與繁殖 389 外形、行為外形、行為1367 肉質(zhì)與泌乳肉質(zhì)與泌乳 198表1 畜禽主要性狀已定位的QTL數(shù)量數(shù)據(jù)來源：數(shù)據(jù)來源：NAGRPBioinformatics Coordination Program Contact: NAGRP Bioinformatics Project Team 2015年年4月月7日日表表2 已定位已定位QTL數(shù)量最多的幾個(gè)性狀數(shù)量最多的幾個(gè)性狀畜畜種種QTL總量總量性狀性狀數(shù)量數(shù)量QTL最多的三個(gè)性狀（性狀最多的三個(gè)性狀（性狀/QTL數(shù)量）數(shù)量）豬豬12604656Drip loss(滴水損失滴水損失)/1022Average daily

15、 gain (平均日增重平均日增重)/312Loin muscle area(眼肌面積眼肌面積)/260牛牛13145492Interval to first estrus after calving（產(chǎn)犢后至第一次發(fā)情間隔（產(chǎn)犢后至第一次發(fā)情間隔)/553Milk protein yield (乳蛋白量乳蛋白量)/461Milk fat yield(乳脂量乳脂量)/435雞雞4379306Abdominal fat weight(腹脂重腹脂重)/189Body weight(體重體重)/147Breast muscle (胸肌胸肌)/136羊羊791217 Haemonchus Contor

16、tus-related traits(捻轉(zhuǎn)血矛線蟲相關(guān)性狀捻轉(zhuǎn)血矛線蟲相關(guān)性狀)/39Fecal egg count (糞卵計(jì)數(shù)）糞卵計(jì)數(shù)）/19Aseasonal reproduction, milk yield 各各/15數(shù)據(jù)來源同表數(shù)據(jù)來源同表1.l所定位的QTL是染色體的一個(gè)區(qū)間，中間還可能涉及多個(gè)基因； lQTL或標(biāo)記與性狀的連鎖程度不確定；l不同群體的遺傳背景不一樣，同一性狀的QTL在不同群體中的分離、重組結(jié)果不同；lQTL定位的誤差。 QTL定位中的問題在生產(chǎn)中能用的QTL不多的原因是： 關(guān)聯(lián)分析的問題l QTL本身的問題；l 數(shù)量性狀記錄的準(zhǔn)確性；l 樣本大小。在畜牧生產(chǎn)中哪些

17、QTL有確定的生產(chǎn)意義？還是有一些基因，如：畜種畜種基因名稱基因名稱所在染色所在染色體體豬豬 牛牛 基因名稱 所在染色體 l QTL (Quantitative Trait Loci)l QTG （Quantitative Trait Gene）lQTN (Quantitative Trait Nucleotides) 從核苷酸水平上來確認(rèn)對(duì)數(shù)量性狀真正起作用的基因位點(diǎn)（核苷酸序列多態(tài)位點(diǎn)）。lSNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) QTN的研究一般都要對(duì)候選的QTL作SNPs檢測，或直接對(duì)候選基因作SNPs檢測。（2 2） 從從 QTL 到到 QTG/Q

18、TN 幾個(gè)概念家畜中目前有實(shí)用價(jià)值的QTG/QTN還很少l牛 DGAT1 (二脂酰甘油酰基轉(zhuǎn)移酶1) 與產(chǎn)奶性狀有關(guān) （Grisart et al. 2002)l豬 IGF2 (胰島素樣生長因子II） 與生長發(fā)育有關(guān) （Van-Laere et al. 2003)l綿羊 GDF8 （肌肉生長抑制素，Myostatin） 與肌肉和脂肪性狀有關(guān) (Clop et al. 2006)l牛ABCG2(ATP結(jié)合運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白G2) 與產(chǎn)奶性狀有關(guān) (Hanne Gro Olsen et al. 2007) l雞SLCO1B3(EVA-HP插入，綠殼蛋）（楊寧，鄧學(xué)梅等2012） Genome-wide as

19、sociation study (GWAS)譯成“全基因組關(guān)聯(lián)研究”或“全基因組關(guān)聯(lián)分析”這一研究最早從醫(yī)學(xué)開始，提取對(duì)照組和病例組的DNA樣品，進(jìn)行全基因組的SNP芯片掃描，找出對(duì)照組及病例組中基因頻率差異顯著的SNP位點(diǎn)，則認(rèn)為該位點(diǎn)與疾?。ㄐ誀睿┐嬖陉P(guān)聯(lián)。4. 4. GWAS 由于病例的樣本大，case-control 的GWAS在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域幾乎涉及各類疾病，如糖尿病、心血管病、免疫性疾病、癌癥、皮膚病、精神性疾病、感染性疾病等，發(fā)表的論文數(shù)逐年上升。Published GWA Reports, 2005 2/2015Published GWA Reports, 2005 2/2015To

20、tal Number of PublicationsCalendar QuarterVisited on 09/04/2015影響人類身高的遺傳變異 通過對(duì)通過對(duì)25萬人的研究萬人的研究 697個(gè)個(gè)SNPs 424個(gè)基因座個(gè)基因座 查清了影響人類身高查清了影響人類身高20%的遺傳變異的遺傳變異為什么GWAS研究會(huì)發(fā)展得這么快？由于：l人類基因組計(jì)劃(HGP)的完成l人類基因組單體型圖計(jì)劃(HapMap)的完成lSNPs芯片和高通量的SNPs檢測技術(shù)的完善l生物信息學(xué)的發(fā)展你認(rèn)為GWAS在畜禽數(shù)量性狀改進(jìn)方面能有多大作用？ 會(huì)有作用，但難度遠(yuǎn)比醫(yī)學(xué)中從某種疾病的“發(fā)病”與“健康”人群里得到GWA

21、S結(jié)果要困難得多。 GWAS可以找到原因基因，可做標(biāo)記輔助選擇，但還不能排出育種值的大小。5. GS 5. GS 基因組選擇 （Genomic selection）全基因組范圍內(nèi)的標(biāo)記輔助選擇1）思路 在全基因組范圍內(nèi)用大量的SNPs標(biāo)記或微衛(wèi)星標(biāo)記對(duì)所有QTL估計(jì)一個(gè)總的育種值，即把單個(gè)QTL的標(biāo)記輔助選擇“化零為整”。2）步驟 建立參考群體l 表型記錄l 基因組標(biāo)記分型l 通過數(shù)學(xué)模型估計(jì)出每個(gè)標(biāo)記效應(yīng)值 待選群體l對(duì)個(gè)體進(jìn)行標(biāo)記分型l累加每個(gè)標(biāo)記效應(yīng)值得到個(gè)體基因組育種值（GEBV）l根據(jù)每個(gè)個(gè)體基因組育種值進(jìn)行排隊(duì)。3）標(biāo)記分型 利用覆蓋整個(gè)基因組標(biāo)記（主要是SNP標(biāo)記）將染色體分成若干片段，即相鄰的兩個(gè)標(biāo)記就是一個(gè)染色